(57)【要約】【課題】  ライン状に発生したプラズマのプラズマ密度の均一性を改善し、高均一なプラズマ処理が出来るプラズマ発生装置を提供すること。【解決手段】  矩形導波管１は、Ｈ面に長さ方向に縦長の開口が設けられ、両端からマイクロ波が供給される。縦長の開口が設けられたＨ面の外側には、矩形導波管１の縦長の開口の外側から当該開口へプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス供給手段が設けられて、開口２において導波管１のマイクロ波によりライン状プラズマが発生する。矩形導波管１は、開口２が設けられた対面となるＨ面にスペーサ１０が設置され、開口前記縦長の開口の長さ方向中央部におけるＨ面対向距離が、前記縦長の開口の長さ方向端部におけるＨ面対向距離よりも短く設定されている。【選択図】図２
2010219004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端のポートからマイクロ波が供給され、Ｈ面に長さ方向に縦長の開口が設けられた矩形導波管であって、その巾ａが次式で規定される導波管と、
前記縦長の開口に対して矩形導波管の外側から当該開口へプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス供給手段と、
前記開口内のプラズマ生成ガスが供給される空間と、前記導波管内の空間を分離する誘電体とを有し、
前記矩形導波管は、前記縦長の開口の長さ方向中央部におけるＨ面対向距離が、前記縦長の開口の長さ方向端部におけるＨ面対向距離よりも短いことを特徴とするプラズマ発生装置。
【数１】
2010219004.tif 000005
ここにおいて、波長λ０は真空中におけるマイクロ波であり、λgは導波管の内部におけるマイクロ波の波長であり、ε０、μ０は真空中における誘電率、比透磁率であり、εｒ、μｒは夫々導波管内の比誘電率、比透磁率である。
【請求項２】
請求項１のプラズマ発生装置において、前記導波管のＨ面対向距離を、前記縦長の開口の長さ方向端部から前記縦長の開口の長さ方向中央部に向けて短くしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】
請求項１のプラズマ発生装置において、前記導波管のＨ面対向距離を、前記縦長の開口の長さ方向端部から前記縦長の開口の長さ方向中央部に向けて連続的に短くしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスにおけるエッチングやクリーニング処理、プラズマイオン注入、液晶製造プロセスにおけるクリーニング、透明電極のエッチング、CVD、有機EL製造プロセスおける有機膜上へのCVD、エッチング、クリーニング、機能性フイルムの製造プロセスにおける親水／撥水処理、成膜などを行うために必要なマイクロ波プラズマ発生装置に係り、特に、大型の液晶パネルや幅広のフイルムなどの広い面積をもつ構造物の均一なプラズマ処理に適するプラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波を用いて長尺のプラズマを発生させて試料をスキャン処理するプラズマ発生装置として、特許文献１および特許文献２に開示されるものがある。これらの特許文献に開示された技術によれば、導波管のマイクロ波の伝播方向に長さを持つ長孔を設けて、長孔内に放電管の一部を挿入して導波管の内部の電界を直接的に希ガスに作用させてプラズマ化している。これらの技術は、発生したプラズマに対して均一性を図るための手段を施している。
【０００３】
一方、特許文献３においては、プラズマの発生自体を均一化させるために、長孔に沿ってのパワー分布の均等性を改善する手段を開示している。特許文献３によれば、導波管の中に長さ方向に傾斜可能なブレードを設けて、長孔に対向して位置する内側導電壁を形成させている。ブレードと導波管壁の内側導電壁との間を容量結合し、これにより、高パワーおよび／または低圧動作の間にアーキング及び放電を発生させる。ブレードは、傾斜角が変更可能であり、導波管の横断面をその長さに沿って変化することが可能である。導波管の横断面が、マイクロ波パワーが減少する方向で減少するように、ブレードを配置することにより、導波管の狭い領域内の電界は、より一定に維持する。この構成によれば、導波管２に沿ってパワー束が減少するにもかかわらず、より一定に維持され、より一定の電圧勾配が長孔の幅にわたり存在するようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２６９１５１号公報
【特許文献２】ＷＯ−２００８／０１８１５９  Ａ１号公報
【特許文献３】特表２００６−２６９１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３によるプラズマ発生装置は、導波管の一方向からマイクロ波を導入する場合の導波管の構造を示すものであり、導波管の側面からプラズマ生成ガスを導入し、導波管内を通して長孔からプラズマを導波管外部に放出している。プラズマ生成ガスは、導波管の側面から長孔に至る過程でプラズマ化し、専らプラズマ生成ガスの流れに乗って長孔から放出されるものとなる。また、特許文献３の技術においては、導波管の外側において漏れ出した電磁波により、プラズマ生成ガスを発生させる例も示しているが、これは漏れ出した電磁波が均一であり、プラズマ密度も均一化されることを前提としている。一方、特許文献１及び２に示されるように、Ｈ面に長さ方向に縦長の開口が設けられた矩形導波管の両端からマイクロ波が供給される場合において、誘電体により導波管内空間から分離された縦長開口で発生するプラズマを均一の密度を持つような導電管側で考慮はされていない。
【０００６】
本発明は、Ｈ面に長さ方向に縦長の開口が設けられた矩形導波管の両端からマイクロ波が供給される場合において、誘電体により導波管内空間から分離された縦長開口で発生するプラズマが均一の密度を持つようにしたプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるプラズマ発生装置は、両端のポートからマイクロ波が供給され、Ｈ面に長さ方向に縦長の開口が設けられた矩形導波管であって、その巾ａが次式で規定される導波管と、前記縦長の開口に対して矩形導波管の外側から当該開口へプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス供給手段と、前記開口内のプラズマ生成ガスが供給される空間と、前記導波管内の空間を分離する誘電体とを有し、前記矩形導波管は、前記縦長の開口の長さ方向中央部におけるＨ面対向距離が、前記縦長の開口の長さ方向端部におけるＨ面対向距離よりも短いことを特徴とする。
【０００８】
【数１】
2010219004.tif 000003
【０００９】
ここにおいて、波長λ０は真空中におけるマイクロ波であり、λgは導波管の内部におけるマイクロ波の波長であり、ε０、μ０は真空中における誘電率、比透磁率であり、εｒ、μｒは夫々導波管内の比誘電率、比透磁率である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例のプラズマ発生装置の全体図である。
【図２】本実施例の導波管１を示す図である。
【図３】スペーサ１０によるプラズマ密度を示す図である。
【図４】スペーサ１０の他の構成例を示す図である。
【図５】プラズマ発生空間の圧力とプラズマ密度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図1は、矩形状のＴＥモードの導波管１の両側からマイクロ波を導入するマイクロ波ラインプラズマ発生装置の概略構成を示す図である。導波管1の両端のポートにはテーパ導波管５ａ、５ｂが接続されており、第1および第2のマイクロ波発生源３ａ、３ｂからのマイクロ波が導波管４ａ、４ｂ及びテーパ導波管５ａ、５ｂを介しては供給される。導波管４ａ、４ｂは、直状導波管、導波管ベンド等を組み合わせて構成される。テーパ導波管８ａ、８ｂは、導波管１の巾をＬ字形導波管７ａ、７ｂよりも狭くする。テーパ導波管５ａ、５ｂは、導波管５ａ、５ｂの巾と高さから導波管1の巾と高さに連続的に変えるものであり、電界強度分布の乱れを抑止するものである。尚、テーパ導波管５ａ、５ｂの代わりにステップ状の導波管を使用する場合もある。
【００１２】
図１Ｂにおいて導波管１の内部を示しており、Ｈ面の中央に導波管１の長さ方向に沿って縦長の開口部２が設けられている。導波管の巾a（空間の巾）は、真空中におけるマイクロ波の波長λ０、導波管の内部におけるマイクロ波の波長λｇ、および導波管の巾aの間に成立する関係式から決定される。
【００１３】
【数１】
2010219004.tif 000004
【００１４】
波長λｇは生成すべき長尺状のプラズマの長さよりも長く設定するのが望ましく、これによる巾aが選定される。ε０、μ０は真空中における誘電率、比透磁率でありεｒ、μｒは夫々導波管内の比誘電率、比透磁率である。Ｈ面対向距離ｂについては特に制限が無い。
【００１５】
開口部２が設けられた導波管1の下側には、スリット１５と、プラズマ生成ガス供給手段１６と、被処理体を設置する処理室１８とが設けられている。図２において後述する放電管６により、開口部２内空間と導波管１内空間とは遮蔽されている。プラズマ生成ガス供給手段１６は、プラズマ生成ガスを導入するためのガス供給パイプ１４が接続されている。プラズマ生成ガス供給手段１６は枠状であり、スリット１５を介して開口部２内の空間に連通したプラズマ発生空間を形成する。このプラズマ発生空間は、導波管１内の内側空間に臨んでいるが、開口部２のプラズマ生成ガス供給手段１６の内部に導入されたプラズマ生成ガスは、開口部２において導波管１内のマイクロ波に触れてプラズマ化される。このため、開口部２の形状に倣ったプラズマが発生される。
【００１６】
図１Ｃに、開口部２下側（７ｃｍ）において開口部２の長さ方向に沿って、電子密度を測定した結果を実線rにて示す。式１による巾ａは、ＴＥモードでマイクロ波を伝播させる導波管の巾よりも狭い。巾ａを狭くすることにより、マイクロ波は、一点破線pで示したように導波管１のポートから導入された直後においてピークを持つように電力を放出する。理想的には、導波管1の両側のポートからマイクロ波を導入することにより、破線qで示したように０ｃｍの位置を中心の密度を低くして左右に上昇する分布となる。図中、実線で示した波形は、導波管１の長さ方向中央付近（０ｃｍ地点）、および両端（＋２０ｃｍ、−２０ｃｍ地点）においてピークが現れている。このうねりの原因は特定できてはいないが、開口部２の両端位置でピークを持ってプラズマが大量に発生したため、プラズマを発生させる際に副次的に生じた波が相互に干渉して定在波となった影響であると考えられる。このようなうねりを解消する手段としては、マイクロ波発生源３ａ、３ｂの位相を調整することにより補正することができる。
【００１７】
両端のポートからマイクロ波を導入されることにより、このような電子密度を持つことになる導波管１に対して、本実施例においては導波管１内の断面積を中心に向かって小さくするアルミ製のスペーサ１０を、図２Ａに示すように開口部２の対面側に設ける。導電性のスペーサ１０は、導波管１の開口部２の対面と導通し、導波管１のマイクロ波通路の高さ方向を規定している。本実施例におけるスペーサ１０は、上底、下底を持ち両辺が対象に広がった台形状の側面を有している。導電性のスペーサ１０により、導波管１のＨ面の対向距離ｂが、開口部２の長さ方向中央部は狭く、端部では広く設定される。
【００１８】
図２Ｂは、導波管１の開口部２に放電管６を装着した断面図を示している。放電管６は、石英ガラスやセラミック等の誘電体であり、導波管１内の空間と開口部２内の空間（プラズマ発生空間）とを遮蔽している。放電管６は、長さ方向の断面逆U字状であり、を、両側を堰き止められた、長尺の雨とい（Rain gutter）を引っくり返したような形状をしている。放電管６は、導波管1の内部空間に侵入し、放電管６の内部空間が導波管1の内部に侵入したものとなっている。また、縦長の長方形状開口は下向きに配置される。図示例では、放電管６の内部空間が導波管1の内部空間に侵入しているが、導波管1の内面に近接するように放電管６を設置してもよい。放電管６は、導波管１の外側からスリット１５により固定されている。スリット１５の下段には、プラズマ生成用ガス導入路ＧＩを有する枠状のプラズマ生成ガス供給手段１６が設けられており、プラズマ生成ガス供給手段１６の両側に複数設置されたガス供給パイプ14（図１）を介してプラズマ生成ガスが供給される。スリット１５は、放電管６を導波管１との間で挟んで固定する。プラズマ発生装置では、開口部２を通してプラズマ生成ガスが導波管1内に導入されるため、導波管１内の電磁波が効率良く作用して、ライン状のプラズマを発生させる。
【００１９】
図３に図１Ｃと同様の位置で観測したプラズマの長さ方向（放電管６の長さ方向）に沿ったプラズマ密度を示すグラフを示す。図中、図１Ｃに示した電子密度を示す波形を点線として重ねて示す。また、グラフの右側にはスペーサ１０の側面形状と、導波管１内の配置位置を示した。「０」（単位ｃｍ）で示された位置が導波管１のマイクロ波伝播方向の中央（開口部２の中央、開口部２の長さは５０ｃｍ）である。尚、使用したプラズマ生成ガスは、アルゴンであり、プラズマ発生空間Ｐの圧力は３０ｍＴｏｒｒ、導波管１に入力した電力は、両側の双方において１０００Ｗである。
【００２０】
図３Ａは、上底１５ｃｍ、下底５ｃｍで両側辺が対象に広がる台形状の側面を持つスペーサ１０ａを、導波管１に取り付けた場合の観測値を示している。スペーサ１０の高さは、３ｍｍである（以下、同じ）。図３Ａのグラフによれば、均一化率は、９．５％である。やや電子密度のうねりが見られるものの、均一化したプラズマ密度を得られた。
【００２１】
図３Ｂは、上底２０ｃｍ、下底１０ｃｍで両側辺が対象に広がる台形状の側面を持つスペーサ１０ｂを、導波管１に取り付けた場合の観測値を示している。図３Ｂのグラフによれば、均一化率は８．８％であり、プラズマ密度の均一化がより改善された。
【００２２】
図３Ｃは、上底３０ｃｍ、下底２０ｃｍで両側辺が対象に広がる台形状の側面を持つスペーサ１０ｃを、導波管１に取り付けた場合の観測値を示している。図３Ｃのグラフによれば、均一化率は２．７％であり、ライン状プラズマ密度の均一化はさらに改善された。
【００２３】
図３Ｄは、上底４０ｃｍ、下底３０ｃｍで両側辺が対象に広がる台形状の側面を持つスペーサ１０ｄを、導波管１に取り付けた場合の観測値を示している。図３Ｄのグラフによれば、均一化率は８．５％であり、図３Ｃのものと比べてプラズマ密度の均一化は劣ったものとなった。
【００２４】
本実施例においては、導波管１の巾ａを狭くし、また、導波管１の外部から開口部２に対して直接プラズマ生成ガスを導入している。一方、特許文献３においては、導波管の巾についての議論がされておらず、本実施例のような開口部２の両端でマイクロ波のエネルギーが大きく失われ電子密度がピークを持つようなものとはならない。このため、本実施例における導波管１のように開口部の中央付近で電子密度が低下する問題が無い。尚、特許文献３においては、導波管内でプラズマ生成ガスをプラズマ化させているため、プラズマの影響によりマイクロ波が通りにくくなる（又は通らない）ことがあるが、これがマイクロ波の電力がプラズマに使われることとは無関係である。
【００２５】
さらに、特許文献３における導波管内の側面から導波管内にプラズマ生成ガスを噴出する例や、導波管の下側にプラズマ生成ガスを供給する例に対して、本実施例を比較すると、プラズマ発生当初の形状が異なっている。すなわち、本実施例においては、プラズマが発生した当初は開口部２の形状である。発生したプラズマは放射状に広がる。従って、プラズマ密度の観測地点においては、直上の開口部２内の電子密度を転写したような密度分布とはならない。例えば、開口部２の両端部で発生したプラズマも、他の開口部２の直下の観測点に対して影響を与える。
【００２６】
図３Ａ乃至３Ｄにおいて、うねりの影響が縮小化されているが、これは導波管１の内部空間のＨ面対向距離ｂを狭めたため、開口部２の両端（−２０ｃｍ、２０ｃｍ）以外の場所においてもプラズマ化が促進され、開口部２の両端で発生した副次的な波に重なることにより定在波となりにくくしたものである。うねりが結縮小化された結果、開口部２の中央付近（０ｃｍ）の電子密度が図１Ｃの破線の如く減少が予想されることになるが、スペーサによりＨ面の対向距離ｂが狭まったため、プラズマ密度を増加させている。この結果、中央部分における電力密度の減少を、補正している。
【００２７】
この結果から、導波管１の両側のポートからマイクロ波を供給するラインプラズマ発生装置においては、電子密度がピークとなる開口部中央地点（０ｃｍ地点）に対しては、プラズマが導入される開口部端部地点よりもＨ面対向距離ｂ（導波管１内空間の高さ）を小さくすることを条件とし、さらに次のいずれかの条件を加えることにより、ラインプラズマ密度の均一性を測ることができる。
【００２８】
図４は，上記結果に基づき変形されたスペーサを示す図である。図４Ａにおいては、スペーサ１０ｅは、ステップ状の形状をしており、中央地点（０ｃｍ地点）において導波管１のＨ面対向距離ｂを狭くし、両端でＨ面対向距離ｂを順に広げるステップを有している。Ｈ面対向距離ｂを広げたステップの箇所は図中では、−１５〜−１０ｃｍの間と１０ｃｍ〜１５ｃｍの間に設定されているが、これを左右対称にずらせば、図３Ａ〜Ｄに示したほぼスペーサ１０と対応するものとなる。図４Ｂは、曲線状のスペーサ１０ｆを示しており、中央部において導波管１のＨ面対向距離ｂを狭くしている。このスペーサ１０ｆにおいても、左右の裾野を広げたり狭めたりしても良い。スペーサ１０ｆによれば、Ｈ面対向距離ｂは、左右の裾野から中央地底にかけて連続的に短くなる。いずれのスペーサも、最も高いところで３ｍｍである。
【００２９】
上記の実施例においては、導波管１にスペーサ１０を別途用意して設定するものとしたが、導波管１自体の形状が、上記実施例で示した各スペーサを設置した際の空間形状となるようにされていても良い。周知のように、導波管１は、金属板を接合して四角筒の構造とするが、開口部２の対面となる金属板を予め成形しておけば良い。
【００３０】
図５は、プラズマ発生空間Ｐの圧力とプラズマの均一性との関係を示す図である。スペーサ１０としては、図３Ｃに示したスペーサ１０ｃを利用し、プラズマ生成ガスをアルゴンで、導波管１に入力した電力を両側の双方において１０００Ｗとしている。図中、実線は、圧力３０ｍＴｏｒｒの結果であり、図３Ｃのグラフと同一のものである。破線は２５ｍＴｏｒｒのもの、一点破線は３５ｍＴｏｒｒのものである。
【００３１】
プラズマ発生空間Ｐの圧力を２５ｍＴｏｒｒに低下すると、プラズマ密度が全体として増加するが、特に導波管１の端部（−２０ｃｍ、２０ｃｍ地点より内側）のプラズマ密度の増加が大きく、均一化率が１４％に低下した。一方、圧力を３５ｍＴｏｒｒに増加するとラズマ密度が全体として低下し、特に導波管１の端部のプラズマ密度が低下し、均一化率も１１．７％に低下した。このようにプラズマ密度の均一化には、導波管１内の電子密度の分布への対応では対処できない。しかしながら、図に見られるように、いずれの圧力においても導波管１内の電子密度ピーク／ボトムの影響は低減されており、本実施例による均一化の効果が得られている。
【００３２】
尚、本実施例においては、希ガスのプラズマについて説明したが、反応ガスをライン状プラズマ化する際にも同様である。また、プラズマ生成ガス供給手段１６と導波管１とを別体としたが、プラズマ生成ガス供給手段は導波管１のＨ面の内面側よりも外側から開口部２へガスを供給するもので有ればよく、例えば導波管１のＨ面を構成する壁の外側から開口部２の周壁まで貫通するガス通路を設けた場合には、このガス通路がプラズマ生成ガス供給手段に相当する。
【符号の説明】
【００３３】
１：導波管
２： 開口部
３ａ、３ｂ：マイクロ波発生源
６：放電管
１０：スペーサ
１６：プラズマ生成ガス供給手段
１４：ガス供給パイプ
１８：処理室
【図１】
2010219004.tif 000006
【図２】
2010219004.tif 000007
【図３】
2010219004.tif 000008
【図４】
2010219004.tif 000009
【図５】
2010219004.tif 000010